1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征

胡啟瑞，孫 蕾，戎 博，張鵬程，李迎春*

(1.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)/新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.精河縣氣象局，新疆 精河 833300)

0 引言

【研究意義】枸杞是新疆紅色產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，精河縣是新疆枸杞種植的集中產(chǎn)區(qū)，經(jīng)多年發(fā)展，枸杞現(xiàn)已成為精河縣特色優(yōu)勢(shì)作物。農(nóng)業(yè)氣候資源在一定程度上決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和布局，栽培管理措施、耕作制度以及作物品種最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。了解氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，進(jìn)而分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可能發(fā)生的各種變化，是氣候變化影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究的首要問(wèn)題[3]。因此，探明精河縣農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征，對(duì)當(dāng)?shù)罔坭疆a(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái)，氣候變化及其對(duì)氣候資源的影響越來(lái)越受到關(guān)注，劉敬強(qiáng)等[4-5]就新疆特色林果種植對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究表明，1961—2010年熱量資源明顯增多，水資源有所改善，但日照時(shí)數(shù)略少，氣候變化總體對(duì)新疆特色林果種植有利。張山清等[6-8]研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化背景下，新疆農(nóng)業(yè)熱量資源明顯改善，杏、核桃和蘋(píng)果適宜種植區(qū)有所擴(kuò)大。吉春容等[9]利用40 a資料分析哈密瓜生長(zhǎng)氣象條件發(fā)現(xiàn)，哈密瓜生長(zhǎng)季熱量資源呈顯著增加趨勢(shì)，6—7月的高溫對(duì)哈密瓜產(chǎn)量有不利影響。胡啟瑞等[10]分析新疆伽師瓜生長(zhǎng)季氣候變化特征得出，生長(zhǎng)季平均氣溫和積溫明顯增加，但光照資源減少影響伽師瓜品質(zhì)。李香芳等[11]分析寧夏枸杞近57 a生長(zhǎng)氣象條件發(fā)現(xiàn)，氣候變化有利于寧夏枸杞單產(chǎn)提高，同時(shí)氣候變暖增加了冬季農(nóng)田土壤水分蒸發(fā)，病蟲(chóng)害發(fā)生有增加趨勢(shì)?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，對(duì)新疆枸杞的研究主要集中在品種選育、種植氣候資源區(qū)劃、病蟲(chóng)害發(fā)生氣象條件分析、氣象災(zāi)害研究等方面[12-16]，氣候變化對(duì)枸杞生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究相對(duì)較少。因此，有必要分析精河縣枸杞生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征，并研究氣候變化對(duì)枸杞生長(zhǎng)的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用精河縣氣象站40 a逐日氣象資料，分析枸杞生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征，為枸杞生產(chǎn)合理利用氣候資源、趨利避害、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選用精河縣氣象站1981—2020年逐日氣象資料，包括平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆氣象信息中心，經(jīng)過(guò)人工質(zhì)量審核。

1.2 研究方法

1.2.1 枸杞生長(zhǎng)季的確定 影響枸杞生長(zhǎng)的界限溫度為10℃左右，≥10℃的日數(shù)增加，可為枸杞提供更長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間[17]。因此，研究以穩(wěn)定通過(guò)10℃的持續(xù)日數(shù)作為枸杞生長(zhǎng)季，≥10℃的初日與終日之間的天數(shù)即為生長(zhǎng)季。采用5日滑動(dòng)平均法計(jì)算≥10℃界限溫度的起止日期。

1.2.2 Mann-Kendall(M-K)方法檢驗(yàn) Mann-Kendall方法是非參數(shù)突變統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是所選序列數(shù)據(jù)無(wú)需遵從某種分布特征，不受少數(shù)異常值干擾，在原假設(shè)氣候序列沒(méi)有變化情況下，定義1個(gè)統(tǒng)計(jì)量，進(jìn)行方差檢驗(yàn)。其中，UF為要素序列數(shù)據(jù)M-K檢測(cè)順序統(tǒng)計(jì)曲線；UB為要素序列數(shù)據(jù)M-K檢測(cè)逆序統(tǒng)計(jì)曲線，若順序統(tǒng)計(jì)曲線超過(guò)信度臨界線，即表示存在顯著趨勢(shì)變化，如果順序統(tǒng)計(jì)曲線與逆序統(tǒng)計(jì)曲線的交叉點(diǎn)位于信度臨界線之間，該交叉點(diǎn)即為突變的開(kāi)始點(diǎn)[18]。

1.2.3 氣候傾向率 采用最小二乘法對(duì)40 a的氣象要素?cái)?shù)據(jù)與時(shí)間進(jìn)行一元線性回歸。

y=a+bx

式中，y為氣象要素值，x為時(shí)間，a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)，表示氣象要素隨時(shí)間的變化速率[19]。以b的10倍作為氣候要素氣候傾向率。

2 結(jié)果與分析

2.1 1981—2020精河縣枸杞生長(zhǎng)季熱量資源的變化特征

2.1.1 平均氣溫 在1981—2020年，隨時(shí)間推移精河枸杞生長(zhǎng)季平均氣溫呈極顯著增加趨勢(shì)(P≤0.01)，氣候傾向率為0.4℃/10 a，生長(zhǎng)季平均氣溫最大值和最小值分別出現(xiàn)在2017年(23.5℃)和1993年(19.7℃)，枸杞生長(zhǎng)季40 a平均氣溫為21.5℃(圖1a)。

M-K突變檢測(cè)結(jié)果顯示，精河縣枸杞生長(zhǎng)季平均氣溫從20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，特別是2000年以后上升顯著，2014年UF曲線通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P≤0.05)。UF和UB曲線相交于2004年，表明枸杞生長(zhǎng)季平均氣溫在2004年發(fā)生突變，2005—2020年與1981—2004年相比平均氣溫升高0.81℃(圖1b)。

圖1 1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季平均氣溫的變化(a)和M-K突變檢驗(yàn)(b)Fig.1 Average temperature variation (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.2 ≥10℃積溫 一定界限溫度以上的積溫及其持續(xù)日數(shù)是評(píng)價(jià)某一地區(qū)熱量資源的重要指標(biāo)之一。枸杞從展葉、新稍生長(zhǎng)到開(kāi)花結(jié)實(shí)所需要的溫度都在10℃以上，≥10℃積溫反映枸杞生長(zhǎng)期內(nèi)的熱量狀況[20]。精河縣枸杞生長(zhǎng)期間≥10℃積溫在3 062～4 400℃·d，多年平均積溫為3 845.6℃·d。≥10℃積溫整體呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為162.6℃·d/10a，通過(guò)極顯著水平檢驗(yàn)(P≤0.01)。年際間≥10℃積溫變化差異明顯，最高年(1997年)和最低年 (1992年)相差1 368.6℃·d(圖2a)。

圖2 1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季≥10℃積溫的變化(a)和M-K突變檢驗(yàn)(b)Fig.2 ≥10℃ accumulated temperature variation (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

M-K突變檢測(cè)結(jié)果顯示，枸杞生長(zhǎng)季≥10℃積溫從20世紀(jì)90年代開(kāi)始呈明顯增加趨勢(shì)，≥10℃積溫UF曲線在2008年通過(guò)信度檢驗(yàn)(P≤0.05)。UF和UB曲線均相交于2004年，表明枸杞生長(zhǎng)季≥10℃積溫在2004年發(fā)生突變，由2004年之前的緩慢增加轉(zhuǎn)為之后的明顯增加趨勢(shì)(圖2b)。

2.1.3 ≥10℃積溫日數(shù) 日平均氣溫≥10℃日數(shù)代表枸杞有效生長(zhǎng)季。近40 a精河縣枸杞生長(zhǎng)季≥10℃日數(shù)在146～215 d，平均日數(shù)180 d?！?0℃積溫日數(shù)整體呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為4.6 d/10a(圖3a)。

M-K突變檢測(cè)結(jié)果顯示，≥10℃積溫日數(shù)從20世紀(jì)90年代末呈增加趨勢(shì)，≥10℃積溫日數(shù)UF曲線在2010年通過(guò)信度檢驗(yàn)(P≤0.05)。UF和UB曲線均相交于2004年，表明枸杞生長(zhǎng)季≥10℃積溫日數(shù)在2004年產(chǎn)生突變，2005—2020年與1981—2004年相比，≥10℃積溫日數(shù)增10.7 d(圖3b)。

圖3 1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季≥10℃積溫日數(shù)變化(a)和M-K突變檢驗(yàn)(b)Fig.3 Variation of ≥10℃ accumulated temperature days (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.4 初終霜日變化 精河縣40 a初霜期大多出現(xiàn)在10月中下旬，最早為10月2日，最晚為11月14日。初霜日呈推遲趨勢(shì)，氣候傾向率為為2.8 d/10a。M-K檢測(cè)結(jié)果得出，初霜日變化的突變點(diǎn)為2004年，突變前初霜日的距平平均值為-1.8 d，即此階段初霜日比多年平均偏早1.8 d；而突變后初霜日的距平平均值為5.0 d，即此階段初霜日比多年平均偏晚5.0 d(圖4a)。

終霜日大多出現(xiàn)在4月中下旬，最早為3月17日，最晚為4月26日。終霜日呈提前趨勢(shì)，其變化速率為3.0 d/10 a。M-K檢測(cè)結(jié)果得出，終霜日變化的突變點(diǎn)為2010年，突變前終霜日的距平平均值為2.6 d，即此階段終霜日比多年平均偏遲2.6 d；突變后終霜日的距平平均值為-6.3 d，即此階段終霜日比多年平均偏早6.3 d(圖4b)。

圖4 1981—2020年精河縣初霜日距平(a)、終霜日距平(b)年際變化趨勢(shì)Fig.4 Interannual variation trend of first frost day anomaly (a) and final frost day anomaly (b) in Jinghe County from 1981 to 2020

2.1.5 氣溫日較差及高溫日數(shù) 6—7月是枸杞幼果生長(zhǎng)和成熟期，晝夜溫差大，果實(shí)有效積累多，容易獲得優(yōu)質(zhì)果實(shí)。精河縣6月氣溫日較差在12.2～15.1℃，平均為13.9℃，氣候傾向率為-0.3 d/10a。7月氣溫日較差在11.3～15.7℃，平均為14.0℃，氣候傾向率為-0.5 d/10a(圖5a)。枸杞幼果生長(zhǎng)期不耐高溫，高溫會(huì)縮短幼果生長(zhǎng)時(shí)間，加速成熟，單果營(yíng)養(yǎng)獲取減少，導(dǎo)致果實(shí)變小，產(chǎn)量降低[21]。

精河縣≥35℃高溫天氣主要發(fā)生在6—7月。6月高溫天氣平均6.7 d，氣候傾向率為1.1 d/10a。7月是精河縣高溫天氣的集中發(fā)生期，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2015年(19 d)和2003年(1 d)，高溫天氣平均9.7 d，氣候傾向率為0.5 d/10a(圖5b)。

圖5 1981—2020年精河縣6、7月份氣溫日較差(a)及高溫日數(shù)(b)年際變化趨勢(shì)Fig.5 Interannual variation trend of daily temperature range (a) and high temperature days (b) in June and July in Jinghe County from 1981 to 2020

2.2 1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季降水量的變化特征

枸杞較耐旱，灌溉條件下，降水量不是限制枸杞產(chǎn)量的主要因素，但枸杞果熟期的連陰雨會(huì)造成枸杞裂果，誘發(fā)霜霉病和黑果病，從而降低果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[21]。1981—2020年精河枸杞生長(zhǎng)季降水量變化趨勢(shì)不明顯，但波動(dòng)較大。降水量在39～177 mm，多年平均80.0 mm(圖6a)。M-K檢測(cè)結(jié)果顯示，枸杞生長(zhǎng)季降水量不存在突變，UF與UB有多個(gè)交叉點(diǎn)，說(shuō)明降水不穩(wěn)定(圖6b)。

圖6 1981—2020年精河枸杞生長(zhǎng)季降水量年際變化(a)和M-K突變檢驗(yàn)(b) Fig.6 Interannual variation of precipitation(a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

精河縣枸杞生長(zhǎng)季降水主要集中在6月和7月，氣候傾向率分別為-0.4 d/10a和2 d/10a。6—7月降水量平均15 mm，占全年降水量的40%。1981—2020年≥100 mm的降水量出現(xiàn)9年，其余年份降水量均不足100 mm(圖7)。

圖7 1981—2020年精河枸杞6月(a)和7月(b)降水量變化趨勢(shì) Fig.7 Variation trend of precipitation in June (a) and July (b) of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

2.3 1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)的變化特征

枸杞全生育期適宜生長(zhǎng)的日照時(shí)數(shù)為1 500～1 800 h[22]。精河縣枸杞生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)為1 320～1 936 h，多年平均為1 652 h，整體呈增多趨勢(shì)，氣候傾向率為52.1 h/10a，通過(guò)極顯著水平檢驗(yàn)(P≤0.01)。年際變化差異明顯，日照時(shí)數(shù)最高年(1997年)和最低年(1992年)相差615.9 h(圖8a)。

M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，UF曲線從20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，2009年通過(guò)信度檢驗(yàn)(P≤0.05)，呈顯著上升趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定突變年為1999年左右，2000—2020年與1981—1999年相比，日照時(shí)數(shù)增加229.7 h(圖8b)。

圖8 1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)的年際變化(a)和M-K突變檢驗(yàn)(b) Fig.8 Interannual variation of sunshine hours (a) and M-K mutation test (b) during growth period of L. barbarum in Jinghe County from 1981 to 2020

3 討論

1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季熱量資源呈增加趨勢(shì)，與新疆熱量氣候資源的變化趨勢(shì)相一致[23-24]。精河枸杞生長(zhǎng)發(fā)育期間，≥10℃積溫及日數(shù)增加，使枸杞有效生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，對(duì)提高枸杞單產(chǎn)有促進(jìn)作用。精河縣地處準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，春秋兩季冷空氣活動(dòng)頻繁，氣溫波動(dòng)劇烈，春季霜凍是精河縣的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一[25]。氣候變化背景下，精河縣春季氣溫回升加快，枸杞枝條萌芽期提前，萌芽展葉期遭遇春季霜凍的風(fēng)險(xiǎn)也加大。4月需做好枸杞防御霜凍災(zāi)害準(zhǔn)備，加強(qiáng)防范因終霜過(guò)晚對(duì)枸杞萌芽展葉造成的影響。

枸杞耐旱能力強(qiáng)，在年降水量不足250 mm的干旱、半干旱地區(qū)仍能正常開(kāi)花結(jié)實(shí)。因新疆枸杞種植采用滴灌方式，枸杞產(chǎn)量受降水的影響較小。1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季降水量在39～177 mm，6—7月果熟期降水量呈增加趨勢(shì)。果熟期連陰雨會(huì)造成過(guò)期裂果，誘發(fā)炭疽病、黑果病，降低果實(shí)品質(zhì)[26-27]，因此，6—7月應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注降水預(yù)報(bào)，提前做好用工調(diào)度，及時(shí)采收成熟枸杞。

枸杞生長(zhǎng)季當(dāng)日照時(shí)數(shù)高于1 800 h，往往與高溫干旱相聯(lián)系，高溫會(huì)加速夏果發(fā)育，延長(zhǎng)夏眠期，產(chǎn)量也會(huì)下降[21]。氣候變化背景下，20世紀(jì)90年代后期至今，新疆高溫日數(shù)異常偏多，高溫天氣過(guò)程日趨頻繁[28-29]。枸杞生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)，1981—2020年精河縣枸杞生長(zhǎng)季高溫天氣增加雖然不顯著，但是極端高溫天氣發(fā)生日趨頻繁，夏季發(fā)生枸杞熱害的風(fēng)險(xiǎn)加大。建議高溫天要及時(shí)灌溉，改善枸杞田間小氣候，但要避免在午后高溫時(shí)段灌水，以免出現(xiàn)“騰死”現(xiàn)象。

4 結(jié)論

利用精河縣1981—2020年40 a逐日氣象資料，采用Mann-Kendall突變檢測(cè)和氣候傾向率方法，分析精河縣枸杞生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：1) 精河枸杞生長(zhǎng)季熱量資源呈增加趨勢(shì)。40 a枸杞生長(zhǎng)季氣溫19.7～23.5℃，平均21.5℃；≥10℃積溫3 062～4 400℃·d，平均3 845.6℃·d；≥10℃積溫日數(shù)146～215 d，平均180 d。枸杞生長(zhǎng)季平均氣溫、≥10℃積溫及其日數(shù)均在2004年發(fā)生由少到多的突變，突變后平均氣溫增加0.81℃、≥10℃積溫增加378.5℃、≥10℃日數(shù)增加10.7 d。2) 精河縣初霜日大多發(fā)生在10月中下旬，最早10月2日，最晚11月14日，初霜日呈推遲趨勢(shì)，氣候傾向率為2.8 d/10a。終霜日大多出現(xiàn)在4月中下旬，最早3月17日，最晚4月26日，終霜日呈提前趨勢(shì)，氣候傾向率為-3.0 d/10a。3) 精河枸杞生長(zhǎng)季6—7月氣溫日較差呈減小趨勢(shì)，6月日較差平均為13.9℃，7月為14.0℃?！?5℃高溫天氣主要發(fā)生在6月和7月，其中7月是高溫天氣的集中發(fā)生期，高溫天氣平均9.7 d，氣候傾向率為0.5 d/10a。4) 枸杞生長(zhǎng)季降水量平均為80.0 mm，降水量主要集中在6—7月，降水呈微弱增加趨勢(shì)，年際波動(dòng)較大。日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)，多年平均為1 652 h，年際變化差異明顯，1999年發(fā)生突變，突變后日照時(shí)數(shù)增加229.7 h。

總體看，精河枸杞生長(zhǎng)季熱量資源的增加有利于提高枸杞產(chǎn)量，但枸杞萌芽展葉期遭遇霜凍風(fēng)險(xiǎn)增大，4月需加強(qiáng)霜凍災(zāi)害防范。夏果成熟期間高溫日數(shù)增加，需關(guān)注高溫對(duì)枸杞幼果生長(zhǎng)發(fā)育造成的不利影響。7月降水量增加，對(duì)枸杞產(chǎn)量形成有一定影響。